Amplificateur Optique à Semi-conducteurs de Puissance à
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Amplificateur Optique à Semi-conducteurs de Puissance à très large BandePassante Premier auteur, Deuxième auteur, Troisième auteur Laboratoire IMS 351, Cours de la Libération 33405 Talence Cedex, France Deuxième laboratoire éventuel Première ligne de la seconde adresse etc . . . E-mail : [email protected] Résumé Porté par le succès des réseaux sociaux, de la vidéo à la demande, et par la multiplication des plateformes mobiles de contenus multimédias, le trafic de données sur Internet continue de croitre chaque année. Afin de répondre à ce besoin d’augmentation du trafic de données, nos travaux visent à augmenter la capacité des systèmes de transmission actuels en développant et en industrialisant un nouvel amplificateur optique à semi-conducteur de large bande passante. Cet amplificateur optique doit répondre à des contraintes industrielles (compacité, consommation, fiabilité, coût…) avec des performances de gain (>20dB, >100nm), de puissance de sortie et de saturation (~24dBm), et de facteur de bruit (NF<7.5dB). L’optimisation de ces paramètres dépend principalement des matériaux de la couche active, tout d’abord étudiés par simulation puis validés lors de mesures expérimentales. L'augmentation de la puissance de saturation implique par exemple une réduction du confinement optique dans le guide tout en conservant des pertes de propagation suffisamment faibles, puis en augmentant la longueur du SOA afin d'y injecter des courants importants. Cette optimisation est similaire à ce qui est nécessaire pour obtenir des lasers de forte puissance mais doit tenir compte des contraintes spécifiques à un amplificateur optique à large bande que sont la variation de l’indice de réfraction des matériaux avec la longueur d’onde et l’augmentation de la densité de porteurs selon le régime de fonctionnement. 1. Introduction Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) sont des composants optoélectroniques constitués d’une cavité optique amplificatrice, généralement composée de matériaux semi-conducteurs III-V. La structure est voisine de celle d’un laser Fabry-Pérot mais les deux facettes du guide d’onde bénéficient d’un traitement antireflet afin d’éviter l’effet laser dans la cavité. Un signal lumineux se propageant dans le SOA est alors amplifié lors d’un unique passage. En fonctionnement, le composant est polarisé de manière à injecter des porteurs électriques dans la cavité. Les photons incidents du signal se propageant dans le SOA forcent la recombinaison des porteurs électriques présents dans le composant, ce qui aboutit à l’émission de photons cohérents, identiques aux photons incidents. Les gains obtenus dans un SOA peuvent varier entre 10 et 50dB au point de fonctionnement. Ces composants sont utilisés pour des transmissions ou des opérations logiques de signaux optiques et opèrent pour des longueurs d’onde entre 850 et 1550nm. Ils présentent l’avantage d’une petite taille et d’une faible consommation électrique, ainsi que d’une large bandepassante en comparaison avec d’autres techniques d’amplification optique comme les EDFA. Ils sont cependant pénalisés par une puissance de sortie plus faible, un bruit plus important et des non-linéarités qui peuvent provoquer une déformation du signal transmis. De nombreux efforts ont été portés pour améliorer les performances des SOA afin d’étendre leur utilisation à de nouveaux domaines. Nous présentons dans cet article le développement d’une nouvelle génération d’amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) dont la bande passante dépasse les 100nm, environ trois fois la bande-passante d’un SOA classique. Ces composants présentent de plus un gain de xx dB à 600mA, un facteur de bruit de 6.5dB, une puissance de sortie de 25dBm et une puissance de saturation de xxdBm. 2.Description du composant 2.1. Ruban Un amplificateur optique à semiconducteurs équivaut à une diode PiN polarisée en direct. Afin de favoriser l’injection du courant dans le composant et de minimiser les pertes sur les côtés du composant, les côtés du guide d’onde sont isolés par du xx et le ruban est recouvert de phosphure d’indium dopé p (InP-p). Cette technique est nommée « semi-buried hetero-structure ». Les composants présentés ici ont un ruban de 4.5µm de large et 4mm de long. Ils sont tiltés à 7° et pourvus de traitement antireflet des deux côtés, ce qui porte la réflectivité sur les facettes à -60dB. composants en barrette et sans régulation thermique. Afin de limiter l’échauffement des composants lors de l’injection du courant on effectue la mesure avec un courant pulsé par la méthode des quatre pointes. On évalue la puissance de sortie des SOA par une mesure de la puissance optique avec une commande en courant pulsé. La puissance est mesurée avec une sphère intégratrice qui permet de s’affranchir des contraintes de couplage des composants. Gauche Centre Droite C’est un tableau exemple Table 1. Exemple de long titre nécessitant plus d'une ligne. Il n'est pas centré mais justifié et indenté avec une marge additionnelle de 1 pica (ou 0,5 cm) de chaque côté. 2.2. Zone active . Les performances présentées sont atteintes grâce à une structure de 6 puits quantiques en alliage quaternaire GaInAsP. D’autres types de structures sont possibles pour réaliser l’amplification dans un SOA. On trouve ainsi des SOA dits « bulk », dans lesquels l’amplification a lieu dans la couche épaisse d’un seul matériau à gain, et des SOA à boîtes quantiques, qui piègent les porteurs de charge à des emplacements précis régulièrement répartis dans la cavité optique. Les SOA à puits quantiques sont à mi-chemin entre ces deux structures : les porteurs sont confinés par les puits quantiques dans une direction seulement, et libres dans le plan perpendiculaire aux facettes. Cela permet d’obtenir un gain important à des courants assez faibles et d’atteindre des puissances de saturation intéressantes. 2.3. Semelle La présence d’une semelle sous la zone active permet de diminuer le confinement du mode optique dans les couches supérieures d’InP-p. Cela permet de diminuer les pertes dans le composant qui sont principalement dues à la propagation dans ces couches. Deux approches sont étudiées : une semelle massive, et une semelle diluée. Pour la première il s’agit d’une couche épaisse d’alliage quaternaire GaInAsP d’indice de réfraction plus élevé que le substrat mais moins que les puits quantiques. La deuxième est une alternance d’InP-n et d’alliage quaternaire GaInAsP afin d’ajuster plus finement l’indice de réfraction moyen de la semelle et de jouer sur la géométrie du mode optique. 3.Simulations 4. Mesures 4.1. Caractérisation électrique et mesure de puissance La caractérisation électrique des composants s’effectue par une mesure en tension de la diode PiN commandée en courant. Cette mesure est réalisée sur des Figure 1. Titre de figure court : centré 4.1.1. Sous-sous-section exemple. Exemple du texte à écrire à la suite de la sous-soussection exemple. 4.2. Caractérisation Optique La caractérisation optique des SOA est réalisée sur des composants montés sur des embases munies de thermistances, ce qui permet de réguler les composants en température avec un Peltier lors des différentes mesures. Etant donnée la longueur des composants (4mm) l’injection de courant est faites avec deux pointes pour diminuer la résistance série. La lumière est collectée à la sortie du composant dans une fibre optique lentillée reliée à un analyseur de spectre optique ou un puissancemètre par le biais d’un switch. A l’entrée du composant la lumière est injectée par une fibre optique depuis un laser accordable, en passant par un contrôleur de polarisation. L’entrée est raccordée à un deuxième puissancemètre par le biais du switch. Le couplage du composant aux deux fibres optiques s’effectue en effet par la mesure de la puissance d’émission spontanée que l’on peut lire sur les puissancemètres. Le couplage est optimal à un courant d’injection donné lorsque la puissance mesurée est maximale. On l’ajuste en déplaçant l’extrémité de la fibre face à la facette du SOA avec des vis micrométriques jusqu’à trouver la bonne position. On mesure des pertes de couplage de 3dB de chaque côté du SOA. L’analyseur de spectre optique permet de lire la puissance émise par le composant en fonction de la longueur d’onde. 5.Résultats 5.1Bande-passante 5.2Gain 5.3Mode Optique 6.Rappels Votre article doit avoir une longueur de 4 à 6 pages à ce format. Si vous avez des questions envoyez un courriel à [email protected]. 7. Conclusions Références [1] A. Auteur, B. Auteur and C. Auteur, "Titre de la publication", Journal de Microélectronique 12 (2006) pp 125-128.
